海洋觀測網(wǎng)絡化智能接口標準的研究

摘要：網(wǎng)絡化智能接口標準對于海洋觀測系統(tǒng)的集成、海洋信息的實時獲取和共享等具有非常重要的作用。介紹了IEEE 1451、OGC SWE和PUCK協(xié)議等三種國際海洋組織正在推廣的接口標準，概括了它們的體系結構、重要內(nèi)容及其發(fā)展狀況，并對這三種標準協(xié)議進行分析和比較，最后提出了它們應用在海洋觀測系統(tǒng)中的各自優(yōu)勢和側重點，以及這三種標準存在的問題。
關鍵詞：海洋觀測系統(tǒng)；互操作性；IEEE 1451；OGC SWE；PUCK協(xié)議

海洋觀測技術作為認識海洋、開發(fā)海洋的高技術手段，是建設海洋強國、捍衛(wèi)國家安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的偉大目標所必不可少的。在海洋觀測領域，為了滿足目前海洋研究、開發(fā)和利用對于空間性和實時性的強烈需求，構建能夠綜合、協(xié)調、實時、持續(xù)地獲取各種海洋物理參數(shù)的海洋觀測系統(tǒng)是必然的發(fā)展趨勢。
為了實現(xiàn)海洋環(huán)境信息的大規(guī)模、實時地獲取與控制，海洋觀測系統(tǒng)需要對底層儀器(包括傳感器或執(zhí)行器)組網(wǎng)進行各種參數(shù)的獲取。
網(wǎng)絡化的觀測方式，更注重系統(tǒng)性和整體性，通過性能可靠和實時連接的所有觀測平臺、探測設備、傳感器協(xié)同觀測，實現(xiàn)海洋環(huán)境信息共享與交互。但是目前儀器的軟件協(xié)議和數(shù)據(jù)格式大多是非標準的而且并不統(tǒng)一，這就給系統(tǒng)構建、擴展、更新和維護等帶來很多不便。一方面，對于海洋觀測系統(tǒng)的組建來說，各種協(xié)議的不兼容直接導致現(xiàn)場布線復雜，容易導致混亂并出錯，大大增加了工程任務量；另一方面，對于系統(tǒng)的維護來說，更換系統(tǒng)中的海洋儀器時，幾乎都需要技術人員進行手動安裝和配置，而海上工作環(huán)境比較惡劣，這就增加了人為出錯的可能性。
國際上的一些研究機構在上個世紀九十年代就開始研究解決這些問題。這些機構致力于發(fā)展能夠應用于海洋觀測系統(tǒng)中的底層儀器接口和網(wǎng)絡應用層接口的技術標準，通過實現(xiàn)海洋儀器的互操作性，以最小的人力和高可靠性進行系統(tǒng)的構建和維護。

1 IEEE 1451
美國國家標準技術研究所(NIST)和IEEE儀器與測量協(xié)會傳感技術委員會聯(lián)合從1997年開始推出IEEE 1451系列智能變送器接口標準(Stan dard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators)，很好地解決了不同廠商之間傳感器的互換性和互操作性問題，便于系統(tǒng)的構建與維護，因此成為當前信息化、網(wǎng)絡化、智能化海洋觀測領域研究熱點之一。
制定IEEE 1451標準的目的是開發(fā)一種軟硬件的連接方案，將智能變送器連接到網(wǎng)絡或者用以支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡技術，包括各種現(xiàn)場總線及Internet／Intranet。此標準通過定義一整套通用的通信接口，使變送器在現(xiàn)場采用有線或無線的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，大大簡化由變送器構成的各種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，解決不同網(wǎng)絡之間的兼容性問題，做到變送器的“即插即用”，并能夠最終實現(xiàn)各個廠家產(chǎn)品的互換性與互操作性。
目前國際標準組織ISO和IEC已經(jīng)接受了IEEE 1451系列標準，將其納入了ISO／IEC／IEEE 2145X標準體系。
1．1 IEEE 1451標準系統(tǒng)模型
IEEE 1451標準中的網(wǎng)絡化智能接口主要分為兩個功能模塊，如圖1所示。

一個模塊是網(wǎng)絡應用處理器(Network Capable Applicationprocessor：NCAP)，它主要負責網(wǎng)絡通信、STIM通信、數(shù)據(jù)轉換等功能。NC AP是標準傳感器總線與專用網(wǎng)絡總線之間的接口，提供網(wǎng)絡連接或者網(wǎng)關的功能。這一部分與微處理器集成到一起，在網(wǎng)絡化傳感器中起控制的作用；
另一個模塊是智能變送器模塊(Smart Transducer Interface Module；STIM or TIM)，它包括傳感器或執(zhí)行器、信號調理器、AD或DA轉換器、物理接口以及一系列變送器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)。該模塊能夠支持單個或多個通道。它既可與傳感器相連也可與執(zhí)行器相連接。每一個STIM最多可與255個變送器通道相連接。每一個通道實際上就是STIM上的一個變送器單元。
NCAP與網(wǎng)絡連接有3種方式：1)IEEE 1451．0超文本傳送協(xié)議(HTTP)；2)IEEE 1451．1標準；3)智能變送器網(wǎng)絡服務(STWS)。NCAP與TIM之間的接口被定義為IEEE1451．X物理接口規(guī)范，根據(jù)不同的應用需求選擇不同的子標準接口規(guī)范。
1．2 IEEE 1451協(xié)議棧結構
IEEE 1451標準經(jīng)過多年的制定與修改，目前形成了8個子標準，分為面向軟件的接口與面向硬件的接口兩大部分。
軟件部分主要由IEEE 1451．0和IEEE 1451．1組成，通過面向對象模型的概念描述了網(wǎng)絡化智能變送器的行為，定義了適應于接入不同測控網(wǎng)絡的智能變送器軟件接口規(guī)范；同時定義了一個通用的功能、通信協(xié)議和電子數(shù)據(jù)表格，可以加強IEEE 1451族系列標準之間的互操作性。
硬件部分由IEEE 1451．2～IEEE 1451．7組成，主要針對智能變送器不同的應用背景與目的，包括點對點(RS-232、UART、SPI等)、多點分布式、混合模式、無線(WiFi，Bluetooth，ZigBee等)、CANopen和RFID通信。